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Faculdade de Ciência e Tecnologia
Universidade Fernando Pessoa
Manual de docência para a disciplina de Ciências dos Materiais
Número de horas do programa: 56 horas
Número de horas semanal: 4 horas (2 + 2)
Número de horas por aula: 2 horas
Programa:
1. Introdução
1.1. Materiais e Civilização
1.2. Tipos de Materiais
1.3. Aplicações e Propriedades dos Materiais
Objectivos:
A ciência dos materiais e a engenharia dos materiais (conjuntamente, ciência e engenharia de
materiais) formam uma ponte de conhecimentos entre as ciências básicas (e a matemática) e
as especialidades de engenharia. A ciência de materiais preocupa-se essencialmente com a
descoberta de conhecimentos fundamentais sobre os materiais, enquanto que a engenharia de
materiais se preocupa principalmente em utilizar o conhecimento aplicado sobre materiais.
Os três tipos principais de materiais são: os materiais metálicos, os materiais poliméricos e os
materiais cerâmicos. Os outros dois tipos de materiais que são muito importantes para a
moderna tecnologia da engenharia são os materiais compósitos e os materiais electrónicos.
Todos estes tipos de materiais serão tratados neste programa. Os materiais competem uns
com os outros pela existência e novos mercados, e assim a substituição de um material por
outro ocorre para algumas aplicações. A disponibilidade de matérias-primas, o custo de
produção, e o desenvolvimento de novos materiais e de novas técnicas de fabrico, são os
principais factores que provocam alterações no consumo dos materiais.
Bibliografia:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, capítulo 1
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, capítulo 1
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, capítulo 1
2. Estrutura Atómica e Ligações
2.1. Configurações Electrónicas
2.2. Ligações Atómicas e Moleculares
2.2.1. Ligações Covalentes
2.2.2. Ligações Metálicas
2.2.3. Ligações Secundárias
Objectivos:
Os átomos são constituídos fundamentalmente por três tipos básicos de partículas
subatómicas: protões, neutrões e electrões. Os electrões podem ser imaginados como se
constituíssem uma nuvem electrónica finamente dispersa, de densidade variável, em torno de
um núcleo atómico denso, contendo praticamente toda a massa do átomo. Os electrões
exteriores são os electrões de valência, e é principalmente o seu comportamento que
determina a reactividade química de cada átomo. Os electrões obedecem às leis da mecânica
quântica e, por consequência, as suas energias são quantificadas. Isto é, um electrão só pode
ter certos valores permitidos de energia. Se a energia de um electrão variar, o electrão tem de
passar para um novo nível permitido de energia. Cada electrão está associado a quatro
números quânticos: o número quântico principal n, o número quântico secundário l, o número
quântico magnético ml e o número quântico de spin ms. De acordo com o princípio de
exclusão de Pauli, não é possível haver num átomo dois electrões com os mesmos quatro
números quânticos. Os electrões também obedecem ao princípio de incerteza de Heisenberg,
que estabelece a impossibilidade de determinar simultaneamente o momento e posição de um
electrão. Assim, a localização dos electrões nos átomos deve ser considerada em termos de
distribuições de densidade electrónica. Há dois tipos principais de ligações atómicas: (1)
ligações primárias fortes e (2) ligações secundárias fracas. As ligações primárias podem
subdividir-se em (1) iónicas, covalentes, e (3) ligações metálicas, e as ligações secundárias
podem subdividir-se em (1) dipolos flutuantes e (2) dipolos permanentes. As ligações iónicas
formam-se pela transferência de um ou mais electrões de um átomo electropositivo para outro
electronegativo. Os iões estão ligados entre si num cristal sólido por forças electroestáticas
(coulombicas) e não direccionais. O tamanho dos iões (factor geométrico) e a neutralidade
eléctrica são os dois principais factores que determinam o arranjo ou empacotamento iónico.
As ligações covalentes formam-se pela partilha de pares de electrões por orbitais
semipreenchidas. Quanto maior for a sobreposição das orbitais, mais forte é a ligação. As
ligações covalentes são direccionais. As ligações metálicas formam-se entre átomos
metálicos por partilha colectiva dos electrões de valência, sob a forma de nuvens
deslocalizadas de cargas eléctricas. Em geral, quanto menor o número de electrões de
valência, mais deslocalizados eles se encontram e mais metálica é a ligação. A ligação
metálica somente acontece num agregado de átomos e é não direccional. As ligações
secundárias formam-se por atracção electroestática dos dipolos eléctricos existentes nos
átomos ou moléculas . Os dipolos flutuantes ligam os átomos devido a uma distribuição
assimétrica de cargas eléctricas dentro dos átomos. Estas forças de ligação são importantes na
liquefacção e solidificação dos gases nobres. As ligações de dipolo permanente são
importantes na ligação de moléculas covalentemente ligadas tais como a água e os
hidrocarbonetos. Frequentemente ocorrem ligações mistas entre os átomos e nas moléculas.
Por exemplo, metais como o titânio e o ferro têm ligações mistas metálicas-covalentes;
compostos covalentemente ligados tais como o GaSs e o ZnSe têm um certo grau de carácter
iónico; alguns compostos intermetálicos tais como o NaZn13 têm alguma ligação iónica
misturada com ligação metálica. Em geral, a ligação ocorre entre átomos ou moléculas
porque as suas energias baixam pelo processo de ligação.
Bibliografia:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, capítulo 2
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, capítulo 2
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, capítulo 2
3. Estruturas Cristalinas
3.1. Célula Unitária
3.2. Sistemas Cristalinos
3.3. Polimorfismo
Objectivos:
Os arranjos atómicos em sólidos cristalinos podem ser descritos por uma rede de linhas
designada por rede espacial. Cada rede espacial pode ser descrita especificando as posições
atómicas numa célula unitária que se repete. Existem sete sistemas cristalinos baseados na
geometria dos eixos das células unitárias e dos ângulos entre eles. Estes sete sistemas
possuem um total de 14 sub-redes (células unitárias) baseadas nos arranjos internos dos
átomos nas células unitárias. Nos metais as estruturas mais comuns das células unitárias são:
cúbica corpo centrado (CCC), cúbica faces centrada (CFC) e hexagonal compacta (HC) (que
é uma variação densa da estrutura hexagonal simples). Usando o modelo de esferas rígidas
para os átomos, podem calcular-se densidades atómicas volúmicas nas células unitárias.
Podem também determinar-se factores de empacotamento atómico para as diferentes
estruturas cristalinas no modelo atómico da esfera rígida. Alguns metais têm diferentes
estruturas cristalinas para diferentes gamas de temperatura e pressão, um fenómeno
denominado polimorfismo. As estruturas cristalinas dos sólidos cristalinos podem ser
determinadas utilizando técnicas analíticas de difracção de raios-X.
Bibliografia:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, capítulo 3
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, capítulo 3
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, capítulo 3
4. Defeitos Cristalinos (Pontuais, Lineares e Superficiais)
4.1. Soluções Sólidas Metálicas
4.2. Defeitos Pontuais, Lineares e Superficiais
4.3. Difusão atómica em Sólidos
Objectivos:
A maior parte dos metais e ligas são fundidos e vazados em formas acabadas ou semi-
acabadas. Durante a solidificação de um metal num molde, formam-se núcleos que crescem,
formando grãos, o que origina uma estrutura de grão policristalina no metal solidificado. Para
a maior parte das aplicações industriais, é desejável um tamanho de grão pequeno. Na
indústria raramente se obtêm monocristais de grandes dimensões. Contudo, os monocristais
de silício de grandes dimensões, utilizados na indústria dos semicondutores constituem uma
excepção. Para este material têm que usar-se condições de solidificação especiais e o silício
deve possuir pureza muito elevada. As imperfeições cristalinas estão presentes em todos os
materiais cristalinos reais, mesmo nos de nível atómico ou iónico. As lacunas ou posições
atómicas vazias nos metais podem ser explicadas em termos da agitação térmica dos átomos e
são consideradas defeitos de equilíbrio da rede. As deslocações (defeitos lineares) ocorrem
nos metais cristalinos e são originadas, em grande número, pelo processo de solidificação. As
deslocações são defeitos de não-equilíbrio e aumentam a energia interna do metal. Podem
observar-se imagens de deslocações utilizando um microscópio electrónico de transmissão.
As fronteiras (limites) de grão são imperfeições superficiais nos metais criadas por cristais de
diferentes orientações que se encontram durante a solidificação. A difusão atómica ocorre
principalmente nos sólidos metálicos por (1) mecanismo de difusão por lacunas ou
substitucional e (2) mecanismo de difusão intersticial. No mecanismo de difusão por lacunas,
átomos com tamanhos aproximadamente iguais saltam de uma posição para outra, utilizando
as posições atómicas vazias. No mecanismo de difusão intersticial, os átomos de pequenas
dimensões movem-se através dos espaços intersticiais entre os átomos de maior dimensão da
matriz. A primeira lei da difusão de Fick estabelece que a difusão ocorre devido a uma
diferença na concentração de uma espécie que se difunde, de um ponto para outro, e é
aplicável em condições de estado estacionário (isto é, condições que não se alteram com o
tempo). A segunda lei da difusão de Fick aplica-se em condições não-estacionárias isto é,
condições em que as concentrações da espécie que se difunde variam com o tempo). Neste
contexto, a utilização da segunda lei de Fick é limitada ao caso da difusão de um gás num
sólido. A taxa de difusão depende fortemente da temperatura, e esta dependência é expressa
pela difusividade ou coeficiente de difusão, uma medida da velocidade de difusão. A
difusividade é expressa por 0Q RTD D e−= . Os processos de difusão são utilizados
frequentemente na indústria.
Bibliografia:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, capítulo 4
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, capítulo 4
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, capítulo 4
5. Diagramas de Fase
5.1. Diagramas com um Componente
5.2. Diagramas Binários
5.3. Regra da Alavanca
5.4. Reacções Invariantes
5.5. Diagramas de Fases com Fases Intermediárias e Compostos
5.6. Diagramas Ternários
Objectivos:
Os diagramas de fase são representações gráficas das fases presentes num sistema de liga
(ou num sistema cerâmico) a várias temperaturas, pressões, e composições. Neste capítulo, a
ênfase foi colocada em diagramas de fase de equilíbrio binários temperatura-composição.
Estes diagramas dizem-nos que fases estão presentes para diferentes composições e
temperaturas para condições de arrefecimento ou aquecimento lentas que se aproximam das
condições ed equilíbrio. Nas regiões bifásicas destes diagramas, a composição química de
cada uma das duas fases é indicada pela intersecção da isotérmica com as fronteiras de fase.
A fracção ponderal (em peso) de cada fase num região bifásica pode ser determinada pela
regra da alavanca ao longo de uma isotérmica (linha conjugada para uma determinada
temperatura). Nos diagramas de fases binários isomorfos, os dois componentes são
completamente solúveis um no outro no estado sólido, e assim existe apenas uma fase sólida.
Nos diagramas de fase de ligas (e de cerâmicos) de equilíbrio ocorrem frequentemente
reacções invariantes envolvendo três fases. Destas reacções, as mais comuns são:
1. Reacção eutéctica: L α + β
2. Reacção eutectóide: α β + γ
3. Reacção peritéctica: α + L β
4. Reacção peritectóide: α + β γ
5. Reacção monotéctica: L1 α + L2
Em muitos diagramas de fases de equilíbrio binário, estão presentes uma ou mais fases e/ou
compostos intermédios. As fases intermédias possuem uma gama de composições, enquanto
que os compostos intermédios têm uma composição bem definida. Durante a solidificação
rápida de muitas ligas, originam-se gradientes de composição e formam-se estruturas
zonadas. Uma estrutura zonada pode ser eliminada através de uma homogeneização da liga
vazada por um período longo a elevadas temperaturas imediatamente abaixo da temperatura
de fusão da fase com menor ponto de fusão na liga. Se a liga vazada for ligeiramente
sobreaquecida de forma a que ocorra fusão nas fronteiras de grão, uma estrutura liquefeita é
produzida. Este tipo de estrutura é indesejável uma vez que a liga perde resistência mecânica
e pode fracturar durante o processamento subsequente.
Bibliografia:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, capítulo 9
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, capítulo 9
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, capítulo 8
6. Materiais Metálicos
6.1. Materiais Ferrosos
6.1.1. Produção de Ferro e Aço
6.1.2. Diagramas de Equilíbrio
6.1.3. Processo de Conformação
6.1.4. Propriedades Mecânicas - Ensaios Mecânicos (Ensaios Destrutivos e Não
Destrutivos)
6.1.5. Tratamentos Térmicos
6.1.6. Estruturas Metalográficas
6.2. Materiais Não-Ferrosos
Objectivos:
As ligas de engenharia podem ser convenientemente subdivididas em dois tipos: ferrosas e
não- ferrosas. As ligas ferrosas têm o ferro como seu principal elemento de liga, enquanto que
nas ligas não-ferrosas o principal elemento de liga é outro que não o ferro. Os aços, que são
ligas ferrosas, são de longe as ligas metálicas mais importantes, devido principalmente ao seu
relativo baixo custo e larga gama de propriedades mecânicas. As propriedades mecânicas dos
aços ao carbono podem ser alteradas consideravelmente por deformação a frio e recozimento.
Quando o teor em carbono dos aços aumenta acima de aproximadamente 0,3 %, os aços
podem ser tratados termicamente por têmpera e revenido, de modo a obter-se elevada
resistência mecânica com ductilidade razoável. Elementos de liga como o níquel, o crómio e
o molibdénio são adicionados aos aços ao carbono para produzir aços de baixa liga. Os aços
de baixa liga possuem uma boa combinação de elevada resistência mecânica e tenacidade,
sendo utilizados em larga escala na indústria automóvel, em aplicações como engrenagens,
veios e eixos. As ligas de alumínio são as mais importantes das ligas não-ferrosas,
principalmente devido à sua leveza, deformabilidade, resistência à corrosão e custo
relativamente baixo. O cobre não-ligado é muito utilizado devido à sua elevada condutividade
eléctrica, resistência à corrosão, deformabilidade e custo relativamente baixo. O cobre ligado
com o zinco dá origem a uma série de ligas designadas por latões, que têm resistência
mecânica superior à do cobre não-ligado. Os aços inoxidáveis são ligas ferrosas importantes
pela sua elevada resistência à corrosão em ambientes oxidantes. Para que um aço inoxidável
se torne “inoxidável”, deve conter, no mínimo, 12 % de crómio. Os ferros fundidos são outra
família industrialmente importante de ligas ferrosas. Os ferros fundidos têm um preço baixo e
possuem propriedades especiais, como facilidade de fundição, boa resistência ao desgaste e
durabilidade. O ferro fundido cinzento possui elevada maquinabilidade e capacidade de
absorção de vibrações, devido à presença de lamelas de grafite na sua estrutura. Outras ligas
não ferrosas descritas sumariamente neste capítulo são as ligas de magnésio, de titânio e de
níquel. As ligas de magnésio são excepcionalmente leves e têm aplicações aeroespaciais,
sendo também usadas em equipamento de manuseamento de materiais. As ligas de titânio são
caras, mas têm uma combinação de resistência mecânica com peso baixo, que não se encontra
noutras ligas metálicas, pelo que são largamente usadas em estruturas de aviões. As ligas de
níquel têm elevada resistência à corrosão e à oxidação, e por isso são usadas frequentemente
nas indústrias química e petrolífera. O níquel, quando ligado com o crómio e o cobalto,
constitui a base das superligas à base de níquel, necessárias para turbinas de gás em aviões a
jacto e em equipamento de produção de electricidade. Na primeira parte deste capítulo
discute-se, muito embora com algumas limitações, a estrutura, propriedades e aplicações de
algumas das ligas mais importantes em engenharia. No entanto, saliente-se que muitas ligas
importantes não foram abordadas devido ao âmbito limitado deste programa.
Os metais e ligas metálicas são processados em diferentes formas por vários métodos de
fabrico. Alguns dos mais importantes processos industrias são o vazamento, a laminagem, a
extrusão, a trefilagem, o forjamento e a estampagem profunda. Quando uma tensão uniaxial é
aplicada a uma barra metálica comprida, o material deforma-se primeiro elasticamente e ,
depois, plasticamente, provocando uma deformação permanente. Em muitos projectos de
engenharia, o engenheiro utiliza a tensão limite convencional de elasticidade a 0,2 %, a
tensão de ruptura (tensão máxima) e a extensão até fractura (ductilidade) de um metal ou liga.
Estas grandezas são obtidas a partir do diagrama de tensão nominal-extensão nominal
determinado num ensaio de tracção. A dureza de um material metálico pode também ser
importante em engenharia. As escalas de dureza mais frequentemente utilizadas na indústria
são as Rockwell B e C e a Brinell (NDB). A deformação plástica dos materiais metálicos
ocorre quase sempre pelo processos de escorregamento tem lugar nos planos de máxima
compacidade e segundo as direcções mais compactas. A combinação do plano de
escorregamento com a direcção de escorregamento constitui o sistema de escorregamento. Os
materiais metálicos com muitos sistemas de escorregamento são mais dúcteis do que os
materiais que têm poucos sistemas de escorregamento. Quando o escorregamento se torna
difícil, muitos materiais metálicos deformam-se por maclagem. Às temperaturas mais baixas,
os limites de grão geralmente endurecem os materiais metálicos, porque constituem
obstáculos ao movimento das deslocações. Contudo, sob certas condições de deformação a
alta temperatura, os limites de grão tornam-se regiões de fraqueza devido ao escorregamento
dos limites de grão. Quando um material metálico é deformado plasticamente a frio, o
material encrua, resultando daí um aumento da resistência mecânica e uma diminuição da
ductilidade. O encruamento pode ser eliminado aplicando ao material um tratamento térmico
de recozimento. Quando o material metálico encruado é aquecido lentamente até uma
temperatura elevada, mas inferior à sua temperatura de fusão, ocorrem os processos de
recuperação, recristalização e crescimento de grão e o material amacia. Combinado o
encruamento com o recozimento, podem conseguir-se grandes reduções de secção de
materiais metálicos, sem que ocorra fractura. As fracturas dos materiais metálicos por tracção
simples podem ser do tipo dúctil, frágil ou dúctil-frágil. Um material metálico pode também
fracturar por fadiga, se estiver submetido a uma tensão cíclica de tracção-compressão de
amplitude suficiente. A temperaturas e tensões elevadas, um material metálico pode sofrer
fluência ou deformação ao longo do tempo. A fluência de um material metálico pode ser
intensa ao ponto de conduzir à sua fractura. Realizam-se ensaios de engenharia extensivos
para prevenir a fadiga e a ruptura por fluência dos produtos fabricados.
Bibliografia:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, capítulo 6, 10, 11 e 12
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, capítulo 6 e 11
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, capítulo 6 e 9
7. Materiais Poliméricos
7.1. Definição, Classificação, Exemplos
7.2. Polimerização
7.3. Comportamento Térmico
7.4. Elastómeros
7.5. Comportamento Mecânico
7.6. Processamento e Aditivos
Objectivos:
Os plásticos e os elastómeros são importantes materiais de engenharia, essencialmente devido
à sua vasta gama de propriedades, à relativa facilidade de enformação de acordo com as
necessidades e a custo relativamente baixo. Os materiais plásticos costumam ser, por
conveniência divididos em duas classes: os termoplásticos e os plásticos termoendurecíveis.
Os termoplásticos necessitam de calor para serem enformados; mas, após o arrefecimento,
conservam a forma. Estes materiais podem ser reaquecidos e reutilizados repetidamente. Os
plásticos termoendurecíveis enformam-se, geralmente numa forma permanente, em
determinadas condições de pressão e de calor, ocorrendo uma reacção química responsável
pelas ligações entre os átomos, originando um sólido rígido. Porém, algumas reacções dos
termoendurecíveis ocorrem à temperatura ambiente, sem necessidade de calor e de pressão.
Os plásticos termoendurecíveis não podem ser refundidos depois de terem sido “curados” e,
se forem posteriormente aquecidos a uma temperatura elevada, degradam-se ou decompõem-
se. Os produtos químicos necessários para produzir os plásticos são, essencialmente,
derivados do petróleo, do gás natural e do carvão. Os materiais plásticos são produzidos por
polimerização de muitas moléculas de pequena dimensão, designadas por monómeros,
originando moléculas muito grandes designadas por polímeros. Os termoplásticos são
constituídos por polímeros com longas cadeias moleculares, com ligações secundárias do tipo
dipolo permanente entre as cadeias. Os plásticos termoendurecíveis têm apenas ligações
covalentes, ou seja, há ligações covalentes entre todos os átomos. Os métodos mais comuns
de processamento dos termoplásticos são a moldação por injecção, a extrusão e a moldação
por sopro, enquanto que os métodos mais comuns utilizados nos plásticos termoendurecíveis
são a moldação por compressão, a moldação por transferência e o vazamento. Há muitas
famílias de termoplásticos e plásticos termoendurecíveis. Exemplos de termoplásticos de
utilização geral são o polietileno, o policloreto de vinilo, o polipropileno e o poliestireno.
Exemplos de termoplásticos estruturais são as poliamidas (nylons), o poliacetal, o
policarbonato, os polésteres saturados, o óxido de polifenileno e a polissulfona. (Refira-se
que a separação entre termoplásticos de uso geral e estruturais é arbitrária.) Exemplos de
plásticos termoendurecíveis são os fenólicos, os poliésteres insaturados, as melaminas e os
epoxídicos. Os elastómeros ou borrachas formam uma grande subdivisão dos materiais
plásticos e são de grande importância em engenharia. A borracha natural é obtida em
plantações de árvores e continua a ser muito procurada (corresponde a cerca de 30 % do
fornecimento mundial de borracha), devido às suas excelentes propriedades elásticas. As
borrachas sintéticas contribuem com cerca de 70 % da produção mundial de borracha, sendo
o tipo estireno-butadieno o mais utilizado. Outras borrachas sintéticas, como as borrachas de
nitrilo e de policloropropeno (neopreno), são utilizadas em aplicações que requerem
propriedades especiais, tais como resistência a óleos e a solventes. Os termoplásticos têm
uma temperatura de transição vítrea acima da qual se comportam como sólidos viscosos ou
tipo borracha, e abaixo da qual se comportam como sólidos frágeis, como o vidro. Acima da
temperatura de transição vítrea, a deformação permanente ocorre por escorregamento das
cadeias moleculares umas sobre as outras, quebrando-se e refazendo-se as ligações
secundárias. Pode aumentar-se a resistência mecânica dos temoplásticos, quando usados
acima da temperatura de transição vítrea, através de forças de ligação intermoleculares,
utilizando átomos polares pendentes, como é o caso do cloro no policloreto de vinilo, ou
através de ligações de hidrogénio, como no caso dos nylons. Os plásticos termoendurecíveis
sofrem pequenas deformações antes da fractura, porque contêm exclusivamente ligações
covalentes.
Bibliografia:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, capítulo 15 e 16
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, capítulo 13
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, capítulo 7
8. Materiais Cerâmicos
8.1. Estrutura dos Óxidos
8.2. Silicatos
8.3. Processamento
8.4. Aplicações de Cerâmicos
8.5. Vidros
Objectivos:
Os materiais cerâmicos são materiais inorgânicos não-metálicos que consistem em elementos
metálicos e não-metálicos, ligados quimicamente entre si por ligações iónicas e/ou
covalentes. Consequentemente, as composições químicas e as estruturas dos materiais
cerâmicos variam consideravelmente. Podem ser formados por um único composto, como,
por exemplo, o óxido de alumínio, ou por uma mistura de muitas fases complexas, como, por
exemplo, a mistura de argila, sílica e felspato que forma a porcelana eléctrica. As
propriedades dos materiais cerâmicos também variam muito devido às diferenças de ligação
química. Em geral, os materiais cerâmicos são duros e frágeis, apresentando baixa resistência
ao impacto e baixa ductilidade. Consequentemente, na maioria dos projectos de engenharia
tenta-se evitar que os materiais cerâmicos estejam sujeitos a grandes esforços mecânicos,
especialmente se se tratar de esforços de tracção. Os cerâmicos são normalmente maus
condutores eléctricos e térmicos, devido à ausência de electrões de condução, pelo que muitos
destes materiais são usados como isoladores eléctricos e como refractários. Alguns cerâmicos
podem ser fortemente polarizados com cargas eléctricas e usam-se como materias dieléctricos
em condensadores. A polarização permanente de alguns materiais cerâmicos origina
propriedades piezo-eléctricas, as quais permitem que estes materiais sejam usados como
transdutores electromecânicos. Outros materiais cerâmicos, como, por exemplo, o Fe3O4, são
semicondutores e encontram aplicação em termistores para medição de temperaturas. O
processamento de materiais cerâmicos envolve normalmente a aglomeração de pequenas
partículas, através de diversos métodos em condições secas, plásticas, ou líquidas. Na
indústria cerâmica, predominam os processos de conformação a frio, mas também se usam
processos de conformação a quente. A prensagem, o vazamento de suspensões e a extrusão
são processos habitualmente usados para dar forma aos cerâmicos. Após a conformação, os
materiais cerâmicos são habitualmente sujeitos a um tratamento térmico, por exemplo, de
sinterização ou vitrificação. Durante a sinterização, as pequenas partículas de uma peça já
conformada ligam-se entre si por difusão no estado sólido a temperaturas elevadas. Na
vitrificação, existe uma fase vítrea que funciona como um meio de reacção para ligar entre si
as partículas não-fundidas. Os vidros são produtos da fusão de cerâmicos que foram
arrefecidos até se tornarem sólidos e rígidos, sem ocorrência de cristalização. A maioria dos
vidros inorgânicos tem como base uma rede de tetraedros de sílica (SiO2) ligados ionicamente
e covalentemente. Adições de outros óxidos, tais como o Na2O e o CaO, modificam a rede de
sílica, tornando o vidro mais fácil de trabalhar. Através de outras adições feitas aos vidros é
possível obter um espectro de propriedades. Os vidros possuem propriedades especiais, tais
como transparência, dureza à temperatura ambiente e excelente resistência à maioria dos
ambientes, que os tornam importantes para muitos projectos de engenharia.
Bibliografia:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, capítulo 13 e 14
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, capítulo 12
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, capítulo 10
9. Materiais Compósitos
9.1. Materiais de Reforço e Matrizes
9.2. Processamento
9.3. Betão
Objectivos:
Em termos de ciência e engenharia de materiais, um material compósito pode ser definido
como uma mistura ou combinação de dois ou mais micro ou macroconstituintes, que diferem
na forma e na composição química e que, na sua essência, são insolúveis entre si. Alguns
materiais (compósitos) de plástico reforçado por fibras são fabricados usando fibras
sintéticas, nomeadamente, de vidro, de carbono e de aramido. Destes três tipos de fibras, as
fibras de vidro são as mais baratas e, comparativamente às outras, têm um resistência
mecânica intermédia e maior densidade. As fibras de carbono apresentam elevada resistência
mecânica, elevado módulo de elasticidade e baixa densidade, mas são caras e, por isso, só são
usadas em aplicações em que se exige uma elevada razão resistência/peso. As fibras
aramídicas possuem elevada resistência mecânica e baixa densidade, mas não são tão rígidas
como as fibras de carbono. As fibras de aramido são também relativamente caras e, por isso,
são usadas em aplicações onde, para além de uma elevada razão resistência/peso, se exige
também melhor flexibilidade do que a das fibras do carbono. Nos plásticos reforçados por
fibras de vidro, as matrizes mais usadas são os poliésteres, enquanto que, nos plásticos
reforçados por fibras de carbono as matrizes mais usadas são as de resinas epoxídicas. Os
materiais compósitos de resina epoxídica reforçada por fibras de carbono são usados em larga
escala em aplicações aeronáuticas e aeroespaciais. Os materiais compósitos de matriz de
poliéster reforçada por fibras de vidro têm uma utilização muito mais genérica, encontrando
aplicação nas indústrias de construção civil, de transportes, naval e aeronáutica, por exemplo.
O betão é um material compósito cerâmico, formado por partículas de inertes (isto é, areia e
brita) no seio de uma matriz de cimento endurecido, normalmente cimento portland. Como
material de construção, o betão tem várias vantagens, entre as quais se incluem uma adequada
resistência à compressão, economia, possibilidade de ser vazado no local, durabilidade,
resistência ao fogo e aspecto estético. A fraca resistência à tracção do betão pode ser
aumentada significativamente por meio de reforço com varões de aço. São possíveis maiores
aumentos na resistência à tracção do betão por introdução de tensões residuais compressivas,
o que se consegue por meio de elementos de aço que aplicam um pré-esforço e que são
colocadas em posições onde existem grandes esforços de tracção.
Bibliografia:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, capítulo 17
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, capítulo 14
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, capítulo 13
Program:
1. Introduction
1.1. Materials and Civilization
1.2. Types of Materials
1.3. Physical Properties
Purposes:
Materials science and materials engineering (collectively, materials science and engineering)
form a bridge of materials knowledge between the basic sciences (and mathematics) and the
engineering disciplines. Materials science is concerned primarily with the search for basic
knowledge about materials, whereas materials engineering is concerned mainly with using
applied knowledge about materials. The three main types of materials are metallic, polymeric,
and ceramic materials. Two other types of materials which are very important for modern
engineering technology are composite and electronic materials. All these types of materials
will be dealt in this program. Materials compete with each other for existing and new
markets, and so the replacement of one material by another for some applications occurs. The
availability of raw materials, cost of manufacturing, and the development of new materials
and processes for products are major factors which cause changes in materials usage.
Bibliography:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, chapter 1
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, chapter 1
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, chapter 1
2. Atomic Structure and Bonding
2.1. Electronic Configuration
2.2. Atomic and Molecular Bonds
2.2.1. Ionic Bonds
2.2.2. Covalent Bonds
2.2.3. Metallic Bonds
2.2.4. Secondary Bonds
Purposes:
Atoms consist of mainly three basic subatomic particles: protons, neutrons, and electrons.
The electrons are envisaged as forming a thinly dispersed electron cloud of varying density
around a denser atomic nucleus containing almost all the mass of the atom. The outer
electrons are the valence electrons, and it is mainly their behavior that determines the
chemical reactivity of each individual atom. Electrons obey the laws of quantum mechanics,
and as a result the energies of electrons are quantized. That is, an electron can have only
certain allowed values of energies. If an electron changes its energy, it must change to a new
allowed energy level. Each electron is associated with four quantum numbers: the principal
quantum number n, the subsidiary quantum number l, the magnetic quantum number ml, and
the spin quantum number ms. According to Pauli’s exclusion principle, no two electrons can
have all four quantum numbers the same. Electrons also obey Heisenberg´s uncertainty
principle, which states that it is impossible to determine the momentum and position of an
electron simultaneously. Thus the location of electrons in atoms must be considered in terms
of electron density distributions. There are two main types of atomic bonds: (1) strong
primary bonds and (2) weak secondary bonds. Primary bonds can be subdivided into (1)
ionic, covalent, and (3) metallic bonds, and secondary bonds can be subdivided into (1)
fluctuating dipoles and (2) permanent dipoles. Ionic bonds are formed by the transfer of one
or more electrons from an electropositive atom to an electronegative one. The ions are
bonded together in a solid crystal by electrostatic (coulombic) forces and are nondirectional.
The size of the ions (geometric factor) and electrical neutrality are the two main factors which
determine the ion packing arrangement. Covalent bonds are formed by the sharing of
electrons in pairs by half-filled orbitals. The more the bonding orbitals overlap, the stronger
the bond. Covalent bonds are directional. Metallic bonds are formed by metal atoms by a
mutual sharing of valence electrons in the form of delocalized electron charge clouds. In
general the fewer the valence electrons, the more delocalized they are and the more metallic
bonding. Metallic bonding only occurs among an aggregate of atoms and is nondirectional.
Secondary bonds are formed by the electrostatic attraction of electric dipoles within atoms or
molecules. Fluctuating dipoles bond atoms together due to an asymmetrical distribution of
electron charge within atoms. These bonding forces are important for the liquefaction and
solidification of noble gases. Permanent dipole bonds are important in the bonding of polar
covalently bonded molecules such as water and hydrocarbons. Mixed bonding commonly
occurs between atoms and in molecules. For example, metals such as titanium and iron have
mixed metallic-covalent bonds; covalently bonded compounds such as GaAs and ZnSe have a
certain amount of ionic character; some intermetallic compounds such as NaZn13 have some
ionic bonding mixed with metallic bonding. In general, bonding occurs between atoms or
molecules because their energies are lowered by the bonding process.
Bibliography:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, chapter 2
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, chapter 2
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, chapter 2
3. Crystal Structures
3.1. Unit Cell
3.2. Crystal Systems
3.3. Polymorphism
Purposes:
Atomic arrangements in crystalline solids can be described by a network of lines called a
space lattice. Each space lattice can be described by specifying the atom positions in a
repeating unit cell. There are seven crystal systems based on the geometry of the axial lengths
and interaxial angles of the unit cells. These seven systems have a total of 14 sublattices (unit
cells) based on the internal arrangements of atomic sites within the unit cells. In metals the
most common crystal structure unit cells are: body-centered cubic (BCC), face-centered
cubic (FCC), and hexagonal close-packed (HCP) (which is a dense variation of the simple
hexagonal structure). Using the hard-sphere model for atoms, calculations can be made for
the volume density of atoms in unit cells. Atomic packing factors for different crystal
structures can also be determined by assuming the hard-sphere atomic model. Some metals
have different crystal structures at different ranges of temperature and pressure, a
phenomenon called polymorphism. Crystal structures of crystalline solids can be determined
by using x-ray diffraction analysis techniques.
Bibliography:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, chapter 3
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, chapter 3
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, chapter 3
4. Crystalline Imperfections ( Point, Line and Planar Defects)
4.1. Soluções Sólidas Metálicas
4.2. Defeitos Pontuais, Lineares e Superficiais
4.3. Difusão atómica em Sólidos
4.4. Metallic Solid Solutions
4.5. Lattice, Line and Surface Defects
4.6. Atomic Diffusion in Solids
Purposes:
Most metals and alloys are melted and cast into semifinished or finished shapes. During the
solidification of a metal into a casting, nuclei are formed which grow into grains, creating
solidified cast metal with a polycrystalline grain structure. For most industrial applications a
very small grain size is desirable. Large single crystals are rarely made in industry. However,
an exception is the large single crystals of silicon produced for the semiconductor industry.
For this material special solidification conditions must be used and the silicon must be of very
high purity. Crystal imperfections are present in all real crystalline materials, even at the
atomic- or ionic-size level. Vacancies or empty atomic sites in metals can be explained in
terms of the thermal agitation of atoms and are considered equilibrium lattice defects.
Dislocations (line defects) occur in metal crystals and are created in large numbers by the
solidification process. Dislocations are not equilibrium defects and increase the internal
energy of the metal. Images of dislocations can be observed in the transmission electron
microscope. Grain boundaries are surface imperfections in metals created by crystals of
different orientations meeting each other during solidification. Atomic diffusion occurs in
metallic solids mainly by (1) a vacancy or substitution mechanism and (2) an interstitial
mechanism. In the vacancy mechanism atoms of about the same size jump from one position
to the other, using the vacant atomic sites. In the interstitial mechanism very small atoms
move through the interstitial spaces between the larger atoms of the parent matrix. Fick´s first
law of diffusion states that diffusion takes place because of a difference in concentration of a
diffusion species from one place to another and is applicable for steady-state conditions (i.e.,
conditions which do not change with time). Fick’s second law of diffusion is applicable for
non-steady-state conditions (i.e., conditions in which the concentrations of the diffusing
species change with time). In this context the use of Fick’s second law has been restricted to
the case of a gas diffusing into a solid. The rate of diffusion depends greatly on temperature,
and this dependence is expressed by the diffusivity, a measure of the diffusion rate.
Diffusivity is expressed by 0Q RTD D e−= . Diffusion processes are used commonly in
industry.
Bibliography:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, chapter 4
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, chapter 4
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, chapter 4
5. Phase Diagrams
5.1. Diagrams with One Component
5.2. Binary Diagrams
5.3. The Lever Rule
5.4. Invariant Reactions
5.5. Binary Equilibrium Phase Diagrams with Intermediate Phases and Compounds
5.6. Ternary Phase Diagrams
Purposes:
Phase diagrams are graphical representations of what phases are present in an alloy (or
ceramic) system at various temperatures, pressures, and compositions. In this chapter
emphasis has been placed on temperature-composition binary equilibrium phase diagrams.
These diagrams tell us which phases are present at different compositions and temperatures
for slow cooling or heating conditions that approach equilibrium. In two-phase regions of
these diagrams the chemical compositions of each of the two phases is indicated by the
intersection of the isotherm with the phase boundaries. The weight fraction of each phase in a
two-phase region can be determined by using the lever rule along an isotherm (tie line at a
particular temperature). In a binary equilibrium isomorphous phase diagrams the two
components are completely soluble in each other in the solid state, and so there is only one
solid phase. In binary equilibrium alloy (ceramic) phase diagrams invariant reactions
involving three phases in equilibrium often occur. The most common of these reactions are:
1. Eutectic reaction: L α + β
2. Eutectoid reaction: α β + γ
3. Peritectic reaction: α + L β
4. Peritectoid reaction: α + β γ
5. Monotectic reaction: L1 α + L2
In many binary equilibrium phase diagrams intermediate phase(s) and/or compounds are
present. The intermediate phases have a range of compositions, whereas the intermediate
compounds have only one composition. During the rapid solidification of many alloys,
compositional gradients are created and cored structures are produced. A cored structure can
be eliminated by homogenizing the cast alloy for long times at high temperatures just below
the melting temperature of the lowest melting phase in the alloy. If the cast alloy is
overheated slightly so that melting occurs at the grain boundaries, a liquated structure is
produced. This type of structure is undesirable since the alloy loses strength and may break
up during subsequent working.
Bibliography:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, chapter 9
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, chapter 9
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, chapter 8
6. Metallic Materials
6.1. Ferrous Materials
6.1.1. Production of Iron and Steel
6.1.2. Phase Diagrams
6.1.3. The Processing
6.1.4. Mechanical Properties – Mechanical Testing (Destructive and Non-Destructive
Tests)
6.1.5. Thermal Treatments
6.1.6. Metalographic Structures
6.2. Non-Ferrous Materials
Purposes:
Engineering alloys can conveniently be subdivided into two types: ferrous and nonferrous.
Ferrous alloys have iron as their principal alloying metal., whereas nonferrous alloys have a
principal alloying metal other than iron. The steels, which are ferrous alloys, are by far the
most important metal alloys mainly because of their relatively low cost and wide range of
mechanical properties. The mechanical properties of carbon steels can be varied considerably
by cold working and annealing. When the carbon content of steels is increased to above about
0.3 %, they can be heat-treated by quenching and tempering to produce high strength with
reasonable ductility. Alloying elements such as nickel, chromium, and molybdenum are
added to plain-carbon steels to produce low-alloy steels. Low-alloy steels have good
combinations of high strength and toughness and are used extensively in the automotive
industry for uses such as gears, shafts, and axles. Aluminum alloys are the most important of
the nonferrous alloys mainly because of their lightness, workability, corrosion resistance, and
relatively low cost. Unalloyed copper is used extensively because of its high electrical
conductivity, corrosion resistance, workability, and relatively low cost. Copper is alloyed
with zinc to form a series of brass alloys which have higher strength than unalloyed copper.
Stainless steels are important ferrous alloys because of their high corrosion resistance in
oxidizing environments. To make a stainless steel “stainless”, it must contain at least 12% Cr.
Cast irons are still another industrially important family of ferrous alloys. They are low in
cost and have special properties such as good castability, wear resistance, and durability.
Gray cast iron has high machinability and vibration-damping capacity due to the graphite
flakes in its structure. Other nonferrous alloys briefly discussed in this chapter are
magnesium, titanium, and nickel alloys. Magnesium alloys are exceptionally light and have
aerospace applications and are used for materials-handling equipment. Titanium alloys are
expensive but have a combination of strength and lightness not available from any other
metal alloy system and so are used extensively for aircraft structural parts. Nickel alloys have
high corrosion and oxidation resistance and are therefore commonly used in the oil and
chemical process industries. Nickel when alloyed with chromium and cobalt forms the basis
for the nickel-base superalloys which are necessary for gas turbines for jet aircraft and some
electric-power generating equipment. In the first part of this chapter we discuss to a limited
extent the structure, properties, and applications of some of the important engineering alloys.
However, it must be pointed out that many important alloys have been left out due to the
limited scope of this program.
Metals and alloys are processed into different shapes by various manufacturing methods.
Some of the most important industrial processes are casting, rolling, extruding, wire drawing,
forging, and deep drawing. When a uniaxial stress is applied to a long metal bar, the metal
deforms elastically at first and then plastically, causing permanent deformation. For many
engineering designs the engineer is interested in the 0.2 percent offset yield strength, ultimate
tensile strength, and elongation (ductility) of a metal or alloy. These quantities are obtained
from the engineering stress-strain diagram originating from a tensile test. The hardness of a
metal may also be of engineering importance. Commonly used hardness scales in industry are
Rockwell B and C and Brinell (BHN). Plastic deformation of metals take place most
commonly by the slip process, involving the movement of dislocations. Slip usually takes
place on the closest-packed planes and in the closest-packed directions. The combination of a
slip plane and a slip direction constitutes a slip system. Metals with a high number of slip
systems are more ductile than those with only a few slip systems. Many metals deform by
twinning when slip becomes difficult. Grain boundaries at lower temperatures usually
strengthen metals by providing barriers to dislocation movement. However, under some
conditions of high-temperature deformation, grain boundaries become regions of weakness
due to grain-boundary sliding. When a metal is plastically deformed by cold working, the
metal becomes strain-hardened, resulting in an increase in its strength and a decrease in its
ductility. The strain hardening can be removed by giving the metal an annealing heat
treatment. When the strain-hardened metal is slowly heated to a high temperature below its
melting temperature, the processes of recovery, recrystallization, and grain growth take place,
and the metal is softened. By combining strain hardening and annealing, large thickness
reductions of metal sections can be accomplished without fracture. Simple tension metal
failures can be classified according to ductile, brittle, or ductile-brittle types. A metal may
also fracture due to fatigue failure if it is subjected to cyclic tension and compression stress of
sufficient magnitude. At high temperatures and stresses a metal may undergo creep, or time-
dependent deformation. The creep of metal may be so severe that fracture of the metal occurs.
Extensive engineering tests are made to prevent fatigue and creep failure of manufactured
products.
Bibliography:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, chapter 6, 10, 11 and 12
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, chapter 6 and 11
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, chapter 6 and 9
7. Polymeric Materials
7.1. Definition, Classification, Examples
7.2. Polymerization
7.3. Thermal Behavior
7.4. Elastomers
7.5. Mechanical Behavior
7.6. Processing and Additives
Purposes:
Plastics and elastomers are important engineering materials primarily because of their wide
range of properties, relative ease of forming into a desired shape, and relatively low cost.
Plastic materials can be conveniently divided into two classes: thermoplastics and
thermosetting plastics (thermosets). Thermoplastics require heat to make them formable and
after cooling, retain the shape they were formed into. These materials can be reheated and
reused repeatedly. Thermosetting plastics are usually formed into a permanent shape by heat
and pressure during which a chemical reaction takes place which bonds the atoms together to
form a rigid solid. However, some thermosetting reactions take place at room temperature
without the use of heat and pressure. Thermosetting plastics cannot be remelted after they are
“set” or “cured” and upon heating to a high temperature, degrade or decompose. The
chemicals required for producing plastics are derived mainly from petroleum, natural gas, and
coal. Plastic materials are produced by the polymerizing of many small molecules called
monomers into very large molecules called polymers. Thermoplastics are composed of long-
molecular-chain polymers, with the bonding forces between the chains being of the secondary
permanent dipole type. Thermosetting plastics are covalently bonded throughout with strong
covalent bonding between all the atoms. The most commonly used processing methods for
thermoplastics are injection molding, extrusion, and blow molding, whereas the most
commonly used methods for thermosetting plastics are compression and transfer molding and
casting. There are many families of thermoplastics and thermosetting plastics. Examples of
some general-purpose thermoplastics are polyethylene, polyvinyl chloride, polypropylene,
and polystyrene. Examples of engineering plastics are polyamides (nylons), polyacetal,
polycarbonate, saturated polyesters, polyphenylene oxide, and polysulfone. (Note that the
separation of thermoplastics into general-purpose and engineering plastics is arbitrary.)
Examples of thermosetting plastics are phenolics, unsaturated polyesters, melamines, and
epoxies. Elastomers or rubbers form a large subdivision of polymeric materials and are of
great engineering importance. Natural rubber is obtained from tree plantations and is still
much in demand (about 30 percent of the world’s rubber supply) because of its superior
elastic properties. Synthetic rubbers account for about 70 percent of the world’s rubber
supply, with styrene-butadiene being the most commonly used type. Other synthetic rubbers
such as nitrile and polychloroprene (neoprene) are used for applications where special
properties such as resistance to oils and solvents are required. Thermoplastics have a glass
transition temperature above which these materials behave as viscous or rubbery solids and
below which they behave as brittle, glasslike solids. Above the glass transition temperature,
permanent deformation occurs by molecular chains sliding past each other, breaking and
remaking secondary bonds. Thermoplastics used above the glass transition temperature can
be strengthened by intermolecular bonding forces by using polar pendant atoms such as
chlorine in polyvinyl chloride or by hydrogen bonding as in the case of the nylons.
Thermosetting plastics, because they are covalently bonded throughout, allow little
deformation before fracture.
Bibliography:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, chapter 15 and 16
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, chapter 13
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, chapter 7
8. Ceramic Materials
8.1. Oxides Structure
8.2. Silicates
8.3. Processing
8.4. Ceramic Applications
8.5. Glasses
Purposes:
Ceramic materials are inorganic, nonmetallic materials consisting of metallic and nonmetallic
elements bonded together primarily by ionic and/or covalent bonds. As a result, the chemical
compositions and structures of ceramic materials vary considerably. They may consist of a
single compound such as, for example, pure aluminum oxide, or they may be composed of a
mixture of many complex phases such as the mixture of clay, silica, and felspar which is
contained in electrical porcelain. The properties of ceramic materials also vary greatly due to
differences in bonding. In general, most ceramic materials are typically hard and brittle with
low impact resistance and ductility. Consequently, in most engineering designs, high stresses
in ceramic materials are usually avoided, especially if they are tensile stresses. Ceramic
materials are usually good electrical and thermal insulators due to the absence of conduction
electrons, and thus many ceramics are used for electrical insulation and refractories. Some
ceramic materials can be highly polarized with electric charge and are used for dielectric
materials for capacitors. Permanent polarization of some ceramic materials products
piezoelectric properties which enable these materials to be used as electromechanical
transducers. Other ceramic materials, for example, Fe3O4, are semiconductors and find
application for thermistors for temperature measurement. The processing of ceramic materials
usually involves the agglomeration of small particles by a variety of methods in the dry,
plastic, or liquid states. Cold-forming processes predominate in the ceramics industry, but
hot-forming processes are also used. Pressing, slip casting, and extrusion are commonly used
ceramic-forming processes. After forming, ceramic materials are usually given a thermal
treatment such as sintering or vitrification. During sintering, the small particles of a formed
article are bonded together by solid-state diffusion at high temperatures. In vitrification a
glass phase serves as a reaction medium to bond the unmelted particles together. Glasses are
inorganic ceramic products of fusion which are cooled to a rigid solid without crystallization.
Most inorganic glasses are based on a network of ionically covalently bonded silica (SiO2)
tetrahedral. Additions of other oxides such as Na2O and CaO modify the silica network to
provide a more workable glass. Other additions to glasses create a spectrum of properties.
Glasses have special properties such as transparency, hardness at room temperature, and
excellent resistance to most environments which make them important for many engineering
designs.
Bibliography:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, chapter 13 and 14
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, chapter 12
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, chapter 10
9. Composite Materials
9.1. Reinforced Materials and Matrix
9.2. Processing
9.3. Concrete
Purposes:
A composite material with respect to materials science and engineering can be defined as a
materials system composed of a mixture or combination of two or more micro- or
macroconstitutents that differ in form and chemical composition and which are essentially
insoluble in each other. Some fiber-reinforced-plastic composite materials are made with
synthetic fibers of which glass, carbon, and aramid are important types. Of these three fibers,
glass fibers are the lowest in cost and have intermediate strength and highest density as
compared to the others. Carbon fibers have high strength, high modulus, and low density but
are expensive and so are used only for applications requiring their especially high strength-to-
weight radio. Aramid fibers have high strength and low density but are not as stiff as carbon
fibers. Aramid fibers are also relatively expensive and so are used for applications where a
high strength-to-weight ratio is required along with better flexibility than carbon fibers. The
most commonly used matrices for glass fibers for fiber-reinforced-plastic composites are the
polyesters, whereas the most commonly used matrices for carbon-fiber-reinforced plastics are
the epoxies. Carbon-fiber-reinforced-epoxy composite materials are used extensively for
aircraft and aerospace applications. Glass-fiber-reinforced-polyester composite materials
have a much wider usage and find application in the building, transportation, marine, and
aircraft industries, for example. Concrete is a ceramic composite material consisting of
aggregate particles (i.e, sand and gravel) in a hardened cement paste matrix usually made
with portland cement. Concrete as a construction material has advantages which include
usable compressive strength, economy, castability on the job, durability, fire resistance, and
aesthetic appearance. The low tensile strength of concrete can be increased significantly by
reinforcement with steel rods. A further improvement in the tensile strength of concrete is
attainable by introducing residual compressive stresses in the concrete at positions of high
tensile loading by prestressing with steel reinforcements.
Bibliography:
Callister, W. D. Jr. – “Materials Science and Engineering - An Introduction”, John Wiley,
New York, 5th Edition, 1999, chapter 17
Shackelford, J. F. – “Introduction to Materials Science for Engineers”, Prentice Hall, 5th
Edition, 1999, chapter 14
Smith, W. F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais”, McGraw-Hill de Portugal
Lda, 3ª Edição, 1998, chapter 13